CN109151030B - 一种物联网物体分布式交互系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物联网物体分布式交互系统，包括分布式交互网络和区块链底层；所述分布式交互网络包括交互单元IC，所述交互单元IC部署在所述物体上，用于所述物体间交互，所述交互单元IC包括计算中心模块、协调器，所述协调器互相连接构成所述分布式交互网络。本发明提供的物联网物体分布式交互系统中，交互单元IC实现了物联网中物体分布式交互过程，同时结合底层区块链的共识算法、分布式记账、智能合约技术手段，解决了分布式交互过程可能出现的数据一致性和可靠性问题，以及交互的执行控制、信息溯源和违约追责问题。

Description

一种物联网物体分布式交互系统、方法

技术领域

本发明涉及物联网领域，特别是一种物联网物体分布式交互系统、方法。

背景技术

物联网的英文名称是Internet of Things，即“物物相连的互联网”，是在“互联网”的基础上，将其终端延伸和扩展到任何物体与物体之间进行信息交换和通信的一种网络概念。物联网的物体通常指的是能提供能力的物联网终端设备，其中，物体能力是指物体具备的能被外界使用的功能和数据服务。在物联网中，物体之间的交互涉及到物体能力的集成、信息的交换、任务的协同以及其他操作。因此，物体交互的定义是物体之间的智能互联互通互操作。物体交互主要解决物体能力如何使用以及物体之间如何协作的问题，对海量的物体能力进行接入管理和控制调用，同时对不同物体之间分散的能力进行集成，实现单个物体无法实现的功能，通过物体之间的协作完成物联网应用需求。

目前，物联网物体之间的交互主要采用集中式的方式，即物体都接入到一个中心化的平台中，每个物体与平台进行通信，物体之间不直接通信，通过平台的集中化控制来实现物体之间的交互。集中式交互的优点是通常平台都部署在云上，能借助云计算计算和存储资源丰富的优势，具有全局优化的物体能力利用效率、易维护等优点，同时对物体的智能性要求较低，适合大多数常见的物联网应用场景；缺点是可能会造成中心系统负载过重，出现单点故障的问题，以及跨平台的物体交互比较困难。智能物体的分布式交互将是未来物联网物体的主要交互方式。但是，分布式交互需要物体具有一定的智能性，同时还需要面临分布式交互过程中可能出现的数据一致性和可靠性问题，以及交互的执行控制、信息溯源和违约追责问题。

发明内容

本发明公开一种物联网物体分布式交互系统，以解决分布式交互过程中出现的数据一致性和可靠性问题，以及交互的执行控制、信息溯源和违约追责问题的问题，本发明的方法包括：

一种物联网物体分布式交互系统，其特征在于，包括：

分布式交互网络，用于根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互并执行任务；

区块链底层，用于读取所述分布式交互网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制；

所述分布式交互网络包括交互单元IC，所述交互单元IC部署在所述物体上，用于所述物体间交互，所述交互单元IC包括计算中心模块、协调器，所述协调器互相连接构成所述分布式交互网络。

优选的，所述中心计算模块用于对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，根据所述任务执行逻辑选择完成所述需求需要使用到的物体能力以及所述物体能力之间组合的顺序和方式；

所述协调器用于所述物联网中物体间进行信息交换通信，与区块链底层，协调完成所述需求的实现。

优选的，所述交互单元IC还包括用户偏好模块、上下文感知模块，所述用户偏好模块用于对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心选择所述物体能力提供参考依据；

所述上下文感知模块用于对当前运行环境进行动态感知，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持；

优选的，所述交互单元IC的用户偏好模块、上下文感知模块全部或部分部署在所述物体上。

优选的，所述协调器采用P2P协议进行通信。

优选的，所述物体包括智能物体和非智能物体，所述智能物体直接接入所述分布式交互网络，所述非智能物体通过网关或平台接入所述分布式交互网络。

优选的，所述区块链节点包括所述智能物体、平台、网关，所述区块链节点之间构成联盟链。

优选的，所述区块链底层包括智能合约模块、记账模块和验证模块三个模块，

所述智能合约模块，用于读取所述任务执行逻辑，编写智能合约，约定所述任务执行逻辑的内容，物体遵守约定的收益及违反约定的惩罚，由各物体签名确认后，发布至联盟链由验证模块的节点验证和记账模块记录到新区块中，后续任务将按照智能合约自动约束执行；

所述记账模块，用于联盟链中新区块生成后，联盟链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块生成前、上一个区块生成后的时间区间内经过验证模块的节点验证通过的物体间的智能合约及交互数据记录到新区块，并将新区块加入至整个区块链末端，以及更新加入新区块的区块链至所有联盟链节点；

所述验证模块，用于通过P2P协议请求其他联盟链节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后将由记账模块写入到新生成的区块中。

一种基于物联网物体分布式交互系统的交互方法，包括：

所述分布式交互网络，根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互；

所述区块链底层，读取所述分布式互联网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制。

优选的，所述分布式交互网络的交互方法包括：

所述中心计算模块对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，将所述任务执行逻辑发送至协调器；

所述协调器与其他协调器进行信息交换，协商任务分配，若加入任务，则根据任务执行逻辑在对应的时间点执行对应的物体能力，执行完成后经过各协调器之间确认，将执行结果返回至用户。

优选的，所述分布式交互网络的交互方法还包括：

所述用户偏好模块对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心选择所述物体能力提供参考依据；

所述上下文感知模块对当前运行环境进行动态感知，根据物体运动状态、当前能力、本地策略限制、成本、收益信息，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持。

优选的，所述区块链底层的交互方法包括：

所述智能合约模块读取所述任务执行逻辑，编写智能合约，约定所述任务执行逻辑的内容，物体遵守约定的收益及违反约定的惩罚，将智能合约发布至联盟链，由所述验证模块的节点进行验证，由所述记账模块记录到新区块中，后续任务按照智能合约自动约束执行；

所述记账模块在联盟链中新区块发布后，联盟链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块生成前、上一个区块生成后的时间区间内经过验证模块的节点验证通过的物体间的智能合约及交互数据记录到新区块，并将新区块加入至整个区块链末端，以及更新加入新区块的区块链至所有联盟链节点；

所述验证模块通过所述协调器请求其他联盟链节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后将由记账模块写入到新生成的区块中。

本发明的有益效果包括：本发明提供的物联网物体分布式交互系统，交互单元IC实现了物联网中物体分布式交互过程，结合底层区块链的共识算法、分布式记账、智能合约技术手段，则很好地解决了分布式交互过程可能出现的数据一致性和可靠性问题，以及交互的执行控制、信息溯源和违约追责问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是物体分布式交互的整体架构图；

图2是物体分布式交互流程图；

图3是联盟链支撑物体分布式交互流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例一

图1是物体分布式交互的整体架构图，如图所示，物联网物体分布式交互系统包括：分布式交互网络，用于根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互并执行任务；区块链底层，用于读取所述分布式互联网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制。

所述分布式交互网络包括交互单元IC，所述交互单元IC部署在所述物体上，用于所述物体间交互，所述交互单元IC包括计算中心模块、协调器，所述协调器互相连接构成所述分布式交互网络。

所述交互单元IC具体包括：

所述中心计算模块用于对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，根据所述任务执行逻辑选择完成所述需求需要使用到的物体能力以及所述物体能力之间组合的顺序和方式；

所述协调器用于所述物联网中物体间进行信息交换通信，与区块链底层，协调完成所述需求的实现。所述协调器采用P2P协议进行通信。

此外，所述交互单元IC还包括：

所述用户偏好模块用于对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心选择所述物体能力提供参考依据；

所述上下文感知模块用于对当前运行环境进行动态感知，根据物体运动状态、当前能力、本地策略限制、成本、收益信息，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持。

考虑到不同物体的智能水平不同，在实际部署中，所述交互单元IC的用户偏好模块、上下文感知模块可以全部或部分部署在物体上。

所述区块链底层具体包括智能合约模块、记账模块和验证模块三个模块。

在区块链底层，区块链节点对计算能力和存储容量有一定的要求，在当前的物联网中，所述物体包括智能物体和非智能物体，由于受限体积和功耗，只有少数的智能物体具有一定的计算能力、存储容量以及分析处理能力；大多数非智能物体功能简单，不具备这样的能力。物体通过网关或者直接接入到网络中，有的物体会加入到某个平台，由平台进行管理，而有的物体则是自管理。网关和平台，由于不受限体积和功耗，有很强的计算能力、存储能力和分析处理能力，同时管理着所属物体的所有能力，很适合作为区块链节点使用，因此选择所述智能物体、平台、网关作为区块链节点，用于运行区块链网络和存储物体交互数据，所述智能物体、平台、网关作为区块链节点构成了联盟链。

所述智能合约模块，用于读取所述任务执行逻辑，编写智能合约，约定所述任务执行逻辑的内容，物体遵守约定的收益及违反约定的惩罚，由各物体签名确认后，发布至联盟链由验证模块的节点验证和记账模块记录到新区块中，后续任务将按照智能合约自动约束执行；

所述记账模块，用于联盟链中新区块生成后，联盟链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块生成前、上一个区块生成后的时间区间内经过验证模块的节点验证通过的物体间的智能合约及交互数据记录到新区块，并将新区块加入至整个区块链末端，以及更新加入新区块的区块链至所有联盟链节点；

所述验证模块，用于通过P2P协议请求其他联盟链节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后将由记账模块写入到新生成的区块中。

联盟链提供的记账模块、验证模块、智能合约模块，保证了物体分布式交互之间的数据的一致性和可靠性，以及交互的自动化执行、交互信息可追溯和违约可追责。

实施例二

物联网物体分布式交互系统的交互方法，包括：任务需求发送至所述分布式交互系统后，所述分布式交互网络，根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互；由每个物体分别对任务请求进行分析，判断是否有能力加入任务，决定加入的物体之间通过交换信息、相互合作一起完成任务，并将生成的任务结果返回至用户。

所述区块链底层，读取所述分布式互联网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制。

图2是物体分布式交互流程图，示出了所述分布式交互网络的交互方法，包括：

所述中心计算模块对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，将所述任务执行逻辑发送至协调器；

所述协调器接收到任务执行逻辑后，与其他协调器进行信息交换，协商任务分配，若加入任务，则根据任务执行逻辑在对应的时间点执行对应的物体能力，任务执行完成后，经过各协调器之间确认，将最终执行结果返回至用户。

所述分布式交互网络的交互方法，还包括：

所述上下文感知模块对当前运行环境进行动态感知，根据物体运动状态、当前能力、本地策略限制、成本、收益信息，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持；

所述用户偏好模块对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心选择所述物体能力提供参考依据。

图3是联盟链支撑物体分布式交互流程图，如图所示，所述区块链底层的交互方法包括：

所述智能合约是一段可执行的计算机脚本，根据设定的条件，自动触发提前编写的代码逻辑，主要用来对提前达成的约定进行约束。智能合约采用高级编辑语言Solidity编写。在分布式(或去中心化)交互的环境下，各物体的行为是自主的、不受约束的，为了确保物体之间事先协商的内容能顺利执行，不影响到任务执行的质量，采用智能合约进行约束。

当多个物体之间通过协商确定了任务执行逻辑，确定了各个物体需要提供的能力，以及各物体能力之间的执行顺序和方式，根据生成的任务执行逻辑，所述智能合约模块将编写对应的智能合约，包括任务执行逻辑的内容，以及按照约定执行的收益和不按照约定执行的惩罚。智能合约生成后，会由各物体签名确认，并发布到联盟链中，联盟链将根据智能合约的约定触发相应的操作。

智能合约确保了物体分布式交互能顺利执行，甚至自动化执行，以及任务执行的质量，同时，支持不同的任务执行逻辑。

所述记账模块在区块链中新区块发布后，区块链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块发布后的时间区间的物体间交互数据记录到新区块；针对物体分布式交互过程中可能出现的一致性问题，采用Raft共识算法来解决。该算法包括三个角色：Leader(领导者)、Candidate(候选者)和Follower(跟随者)。Leader负责新区块的日志log(交互数据)的记录和提交。Leader节点用来确保集群数据的一致性，Leader保持着最新的记录数据，并强制所有的Follower更新，因此，数据的同步是单向的，即只能从Leader节点向Follower节点转移。物体分布式交互基于Raft共识的过程如下：

首先，进行Leader节点选举。开始所有节点都是Follower节点，在随机超时timeout发生后，未收到来自Leader节点或Candidate节点消息，则转变角色为Candidate节点，提出选举要求。最近选举阶段Term中得票超过一半者被选为Leader节点；如果未选出，随机超时后进入新的阶段重试。

然后，同步交互数据。Leader节点选举出来后，当物体端向Leader节点提交交互数据后，Leader节点接收到的数据处于未提交状态(Uncommitted)，接着Leader节点会并发向所有Follower节点复制数据并等待接收相应，确保至少超过半数的节点已接收到数据，然后再向物体端确认数据已接收。一旦接收到物体端返回的Ack响应后，表明此时数据进入已提交状态(Committed)，Leader节点将数据记录到新区块中，然后新区块被加入到整个区块链后面。最后，Leader节点再向Follower节点发通知告知该数据状态已提交。至此，所有节点都拥有的是最新的数据。

Raft共识算法确保了在物体分布式交互过程中交互数据的一致性和可靠性，生成的分布式账本支持对整个执行过程进行信息溯源。

联盟链定时(例如设定1分钟)生成新的区块，由各个区块链节点根据Raft共识算法获得该新区块的记账权，并将该时间内发生的各物体之间的交互数据(例如，发送的结果、状态等)记录到新区块中，同时区块链节点之间通过P2P协议请求其他节点进行验证并获得验证结果，验证通过后加入到整条区块链的后面，所述更新模块通过所述协调器请求其他区块链节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后将新区块加入至整条区块链末端，更新整条区块链至所有区块链节点。当智能合约内容执行完成后，该任务的支撑过程结束。

本专利采用了Raft共识算法来解决物体分布式交互过程的一致性问题，这个算法并不是唯一的，其他的共识算法只要满足条件也可以替代。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种物联网物体分布式交互系统，其特征在于，包括：

分布式交互网络，用于根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互并执行任务；

区块链底层，用于读取所述分布式交互网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制；

所述分布式交互网络包括交互单元IC，所述交互单元IC部署在所述物体上，用于所述物体间交互，所述交互单元IC包括计算中心模块、协调器，所述协调器相互连接构成所述分布式交互网络；

所述物体包括智能物体和非智能物体，所述智能物体直接接入所述分布式交互网络，所述非智能物体通过网关或平台接入所述分布式交互网络；

所述区块链节点包括所述智能物体、平台、网关，所述区块链节点之间相互连接构成联盟链。

2.根据权利要求1所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述计算中心模块用于对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，根据所述任务执行逻辑选择完成所述需求需要使用到的物体能力以及所述物体能力之间组合的顺序和方式；

所述协调器用于所述物联网中物体间进行信息交换通信，与区块链底层，协调完成所述需求的实现。

3.根据权利要求2所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述交互单元IC还包括用户偏好模块、上下文感知模块，

所述用户偏好模块用于对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心模块选择所述物体能力提供参考依据；

所述上下文感知模块用于对当前运行环境进行动态感知，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持。

4.根据权利要求3所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述交互单元IC的用户偏好模块、上下文感知模块全部或部分部署在所述物体上。

5.根据权利要求2所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述协调器采用P2P协议进行通信。

6.根据权利要求1所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述区块链底层包括智能合约模块、记账模块和验证模块三个模块，

所述智能合约模块，用于读取所述任务执行逻辑，编写智能合约，所述智能合约由各物体签名确认后发布至联盟链，由所述验证模块的节点进行验证，由所述记账模块记录到新区块中，后续任务按照智能合约自动约束执行；

所述记账模块，用于联盟链中新区块生成后，联盟链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块生成前、上一个区块生成后的时间区间内经过验证模块的节点验证通过的物体间的智能合约及交互数据记录到新区块，并将新区块加入至整个区块链末端，更新加入新区块的区块链至所有联盟链节点；

所述验证模块，用于通过P2P协议请求其他联盟链的节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后由记账模块写入到新生成的区块中。

7.根据权利要求6所述的物联网物体分布式交互系统，其特征在于，所述智能合约包括所述任务执行逻辑的内容、物体遵守约定的收益及违反约定的惩罚。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的物联网物体分布式交互系统实现的交互方法，包括：

所述分布式交互网络，根据需求计算物体间的任务执行逻辑，协调物体间信息交互；

所述区块链底层，读取所述分布式交互网络计算的任务执行逻辑，编写智能合约，运行区块链网络环境，存储物体间智能合约及交互数据，确保每个区块链节点存储的物体信息交互数据一致、可靠，对物体交互执行过程进行控制。

9.根据权利要求8所述的交互方法，其特征在于，所述分布式交互网络的交互方法包括：

所述计算中心模块对需求进行语义分析，通过最优化计算生成任务执行逻辑，将所述任务执行逻辑发送至协调器；

所述协调器与其他协调器进行信息交换，协商任务分配，若加入任务，则根据任务执行逻辑在对应的时间点执行对应的物体能力，执行完成后经过各协调器之间确认，将执行结果返回至用户。

10.根据权利要求9所述的交互方法，其特征在于，所述分布式交互网络的交互方法还包括：

用户偏好模块对用户行为进行分析，学习用户偏好，为所述计算中心模块选择所述物体能力提供参考依据；

下文感知模块对当前运行环境进行动态感知，根据物体运动状态、当前能力、本地策略限制、成本、收益信息，为所述计算中心模块计算任务执行逻辑提供支持。

11.根据权利要求8所述的交互方法，其特征在于，所述区块链底层包括所述区块链底层包括智能合约模块、记账模块和验证模块三个模块，

所述智能合约模块读取任务执行逻辑，编写智能合约，约定所述任务执行逻辑的内容，物体遵守约定的收益及违反约定的惩罚，将智能合约发布至联盟链，由验证模块的节点进行验证，由记账模块记录到新区块中，后续任务按照智能合约自动约束执行；

所述记账模块在联盟链中新区块发布后，联盟链节点根据共识算法获得所述新区块的记账权，将新区块生成前、上一个区块生成后的时间区间内经过验证模块的节点验证通过的物体间的智能合约及交互数据记录到新区块，并将新区块加入至整个区块链末端，以及更新加入新区块的区块链至所有联盟链节点；

所述验证模块通过所述协调器请求其他联盟链节点验证所述新区块的交互数据并接收验证结果，验证通过后将由记账模块写入到新生成的区块中。

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